2022 투어링카 챔피언십에 마일드 하이브리드 차량 출전
델타 모터스포츠의 지능형 고전력밀도 배터리 팩 적용
2020년 11월호 지면기사  /  편집부

영국의 유명한 투어링카 챔피언십(British Touring Car Championship, BTCC)은 1958년부터 그 전통을 잇고 있다. 2022년 이 대회는 고성능 마일드 하이브리드 차량을 선보이는 세계 최초의 메이저 투어링카 챔피언십으로 거듭난다.

BTCC는 차량의 성능 및 가속을 높이기 위해 경기자들이 전기모터를 전술적으로 사용할 수 있다고 명시했다. 이 계약은 코스워스 일렉트로닉스(Cosworth Electronics)와 체결됐고, 코스워스 측은 고도로 전문화된 이 분야를 델타 모터스포츠(Delta Motorsport)에게 하청 주었다. 델타 모터스포츠는 '전술 부스트'를 위한 새로운 배터리 팩과 관련 전자장치를 설계하기로 합의했다.


델타 모터스포츠는 영국 투어링카 챔피언십을 위해 '전술 부스트'에 필요한 새로운 배터리 팩과 관련 전자장치를 설계할 책임을 부여받았다. 이 시스템은 모듈식 전원공급네트워크(Power Delivery Network, PDN)을 사용해 48 VDC 전원으로 고성능을 실현한다.

새로운 48 V 리튬이온 배터리 팩은 지능형 전력관리, 고출력 고밀도 DC-DC 컨버터 및 레귤레이션 시스템을 갖추고 있다. 배터리 팩은 인버터-모터 조합에 전력을 공급하며, 이 조합에서 생성된 전력을 수용하는 한편, 고출력 고밀도 컨버터 솔루션은 차량의 모든 전자 회로와 장치에 전력을 공급한다. 이 아키텍처로 달성된 전력밀도와 전력관리는 교류발전기 시스템을 제거할 수 있게 하여 중량, 성능 및 신뢰도를 향상시킨다. 

이 시스템은 모듈식 전원공급네트워크(Power Delivery Network, PDN)를 활용해 소형화, 경량화, 고성능을 달성한다. PDN은 병렬로 연결된 4개의 DC-DC 컨버터에 공급되는 48 VDC 전력원을 통합한다. DC-DC 컨버터는 최대 92 A(약 1.2 kW의 전력)에서 13.8 V의 레귤레이션된 전력을 공급한다. N+1 또는 항공산업 수준의 이중화로 4개의 컨버터가 부하를 공유하지만 3개로도 지원할 수 있다.

하이브리드 시스템의 3상 브러시리스 모터는 양방향 인버터를 통해 배터리에 연결된다. 인버터는 배터리 전원을 모터로 라우팅하며, 재생된 전력(regenerated power)을 모터에서 배터리로 다시 전달한다.

모터는 속도가 제한된 피트레인을 주행하는 초기에는 차량을 순수 EV 모드(ICE 없이 모터만)로만 작동시킨 다음, 경주 중 성능 향상이 요구될 때에는 마일드 하이브리드 모드(ICE 병용)로 작동시킨다. 

혁신적인 배터리 팩 지능과 관리

배터리 팩에는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)이 포함되어 있는데, 이 시스템은 모든 셀 전압을 제어하고 모터-인버터 컨트롤러와 통신하는 동안 배터리가 항상 최대 충전 및 방전 전압을 처리하게 한다. 충전 상태(State of Charge, SoC)를 기준으로 배터리가 공급하거나 수용할 수 있는 전류의 양을 지속적으로 계산하고 업데이트한다. 전력 수요는 낮은 SoC에서는 감소되어야 하며, 높은 SoC에서의 재생은 제한되어야 한다.

이 시스템은 또한 모든 가용 셀의 온도를 실시간으로 모니터링하고, 그 결과를 가용 전력 계산에 입력한다. 또한 컨택터를 열어 문제 발생 시 배터리 팩을 안전하게 격리할 수 있다.

 
델타 모터스포츠는 48VDC 전력원을 사용하는 전원공급네트워크를 설계했다. 이 공급네트워크는 병렬로 연결된 4개의 DC-DC 컨버터에 전원을 공급한다. DC-DC 컨버터들은 최대 92 A(약 1.2킬로와트의 전력)에서 13.8 V의 레귤레이션된 전력을 공급한다. N+1 또는 항공산업 수준의 이중화로 4개의 컨버터가 부하를 공유하지만 3개로도 지원할 수 있다.

배터리관리시스템은 DC-DC 컨버터의 성능을 기록하기 위해 데이터 로깅 및 진단기능을 지원한다. 이는 고장 상태 점검뿐만 아니라 모든 차량에 전달되는 정확한 전류량을 피드백 하기 위한 것이다.

바이코 DC-DC 컨버터 파워 모듈

DC-DC 컨버터 파워 시스템은 4개의 Vicor DCM3623 절연형 레귤레이션 DC-DC 컨버터 ChiP 파워 모듈을 사용해 배터리 팩으로부터 최대 92 A의 전류 수준으로 13.8 V 정류 출력을 공급한다. 프로파일과 풋프린트가 작아 배터리 셀 사이에 확장되어 있는 마이크로 보어 냉각판과 함께 직접 열 접촉방식으로 장착될 수 있다.

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이 시스템은 모듈식 전원공급네트워크(PDN)를 활용해 소형화, 경량화, 고성능을 달성한다. PDN은 병렬로 연결된 4개의 DC-DC 컨버터에 공급되는 48 VDC 전력원을 통합한다. DC-DC 컨버터들은 최대 92 A(약 1.2 kW의 전력)에서 13.8 V의 정류 전력을 공급한다. 

델타 모터스포츠의 설계를 따른 바이코 전원 공급망

이는 전력전자 장치 '오버헤드'가 아닌 생산적 배터리 셀에 최대 용량을 할애하는 것이 필수적이었기 때문에 결정적인 이점이었다. DCM 모듈의 확장성과 병렬화 용이성은 모듈형 전력 아키텍처를 가능하게 하는데, 이는 델타로 하여금 전력 손실 없이도 필요한 작은 풋프린트에 DC-DC PDN을 커스터마이즈 할 수 있게 함을 의미한다.

미래의 전기자동차는 점차 증가하는 성능상의 수요를 수용하기 위해 불가피하게 더 작고, 가볍고, 더 효율 높은 전력전자 장치를 요구할 것이다. 제조업체들이 이러한 상승된 전력을 처리하기 위해 48 V 배터리로 이동하는 바, 바이코의 모듈식 접근방식은 전원공급네트워크 효율을 향상시켜 더 작고 가벼운 케이블과 커넥터로 전력 손실과 중량을 줄일 수 있다.

델타 모터스포츠는 또한 Vicor PI3105를 사용했다. 이것은 무정전 전원공급장치(UPS)를 위한 소형의 60 W짜리 절연형 컨버터로써, 차량의 전원공급장치에서 안전시스템들이 분리될 때에 이들의 작동을 유지시키는 배터리 팩 전자장치에 전원을 공급한다. 또한 UPS는 전자장치를 차량과 독립적으로 구동하게 함으로써 시스템 점검을 위한 원격 연결을 가능하게 한다.

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